Liv och vetenskap
2011
Uno Wennergren
Professor Teoretisk
Biologi
Föreläsningen:
Vad är vetenskap?
– Kunna skilja på vetenskap och
pseudovetenskap
– Vetenskapliga metoder
Vad är vetenskapsområdet biologi?
– Vad karakteriserar liv?
– Exempel: funktionell genomik till ekologi
Grundstenar
– Genetik
– Evolution
Vad är vetenskap?
Vetenskap – ett sätt, en process, att
lösa problem eller att få kunskap
Processen, arbetssättet kallas Vetenskaplig
metod
Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen
Observation
Nya observationer görs
och tidigare resultat studeras
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen
Observation
Nya observationer görs
och tidigare resultat studeras
Hypotes
Ett testbart påstående
formuleras
Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen
Observation
Nya observationer görs
och tidigare resultat studeras
Hypotes
Ett testbart påstående
formuleras
Experiment/Observationer
Hypotesen prövas genom
experiment eller ytterligare
observationer
Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen
Observation
Nya observationer görs
och tidigare resultat studeras
Hypotes
Ett testbart påstående
formuleras
Experiment/Observationer
Hypotesen prövas genom
experiment eller ytterligare
observationer
Slutsats
Resultaten analyseras och
hypotesen förkastas eller
stöds
Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen
Observation
Nya observationer görs
och tidigare resultat studeras
Hypotes
Ett testbart påstående
formuleras
Experiment/Observationer
Hypotesen prövas genom
experiment eller ytterligare
observationer
Slutsats
Resultaten analyseras och
hypotesen förkastas eller
stöds
Vetenskaplig teori
Många experiment och
observationer stödjer en
teori. Ny teori kan bildas
enl ovan
Fig. 1.3 Watson och
Crick, 1953
Dubbelhelix av Watson
och Crick 1953
Skapades tillsammans med
röntgenkristallografi – man fick bilder
som gjorde att dubbelhelixen blev en
ide/hypotes
Teorin i sin tur har gett upphov till
mängder av nya hypoteser som testats
och endera förkastats eller fått stöd
(hållit än så länge)
Hur skapas ny
vetenskaplig teori
Många delresultat (hypoteser som testats
och ej förkastats)
Tillsammans skapar underlag för en
gemensam övergripande hypotes
Att väga dessa tillsammans kallas induktion
– induktionsbevis
– Givet att a och b är sant så måste även c vara
sant, den logiska slutsatsen av a och b
Experiment
Skapa en händelse för att testa en
hypotes
– Flera variabler kan påverka händelsen
– Gör det kontrollerbart genom att renodla
till helst enbart en variabel
Kontrol
grupp vs försöks grupp
Oberoende variabel – den man varierar
Beroende variabel - den man mäter
Pseudovetenskap
Vad är vetenskap och vad är
pseudovetenskap????
Är påstående prövade med vetenskapliga
metoder? Har man verkligen testat
hypotesen? Var försöket tillräckligt renodlat
så det verkligen testade hypotesen?
– risk att man blir lurad/lurar sig själv och tror det
är renodlat, eftersom man vill lösa problemet
Paradigmskifte
Vetenskapen måste vara beredd att ändra sina
teorier.
Ekologi
Organisms
human
tree
Organ systems
stem
Organs
leaf
heart
cardiac
tissue
leaf tissues
brain
Tissues
nerve cell
Cells
Molecules
Atoms
DNA molecules
Biologi
processer
Metabolism
– Energi / upptag nyttjande
Generativa /alstrande
– Tillväxt av individ eller av individer /skapandet av biologiskt
material
Responsiva / reagerande
– Irritabilitet (fysiologi)
– Individ anpassning
– Evolution
Kontrollerande/styrande
– Koordination
– Reglering
– Evolution ??? Kanske inte
Strukturer
– I celler /organ / individer / naturen
Biologi
vetenskap och tillämpningar
Tillämpning av biologisk vetenskap:
Nya metoder inom lantbruk och avel medför högre
mjölkproduktion
Fig. 1.11
Tillämpning av
biologisk vetenskap
Vaccinationer
– 1796 Jenner studerade smittkoppor och
kokoppor
– De som fått kokoppor blev inte speciellt
sjuka i smittkoppor
– 200 år senare så anses smittkoppor
utrotat (dock ej helt pga terrorister)
Kunskaper om immunsystem ger
vaccinationsprogram
HSW, p.19
Att inte förstå och tillämpa
biologisk kunskap kan få negativa
konsekvenser.
Fig. 1.12
Ljusblått är hyggen
rött är skog.
Erosion, artutdöende
Första föreläsningen:
del 1
Vad är vetenskap?
– Kunna skilja på vetenskap och
pseudovetenskap
– Vetenskapliga metoder
Vad är vetenskapsområdet biologi?
– Vad karakteriserar liv?
– Exempel: funktionell genomik till ekologi
Liv!
Liv är en egenskap som alla organismer har.
Livet förökar sig, vilket kallas fortplantning.
Vid reproduktionen förs arvsanlag vidare.
Livet har förmåga att vidareutvecklas.
Något som är levande kan reagera på yttre
stimuli.
Det som är levande söker föda och har en egen
ämnesomsättning.
Virus räknas i allmänhet inte som en livsform, då
virus saknar egen ämnesomsättning.
Livets ursprung
hur uppstår liv
Ett antal olika hypoteser (kallas ibland teorier
men ….)
– Två olika grundtankar
Livet skapas på jorden ur ickelevande materia
– Spontan generation
Livet skapas ur redan existerande liv
– Biogenes
– Dessa två hypoteser kan man spåra tillbaka
ända till antiken (Aristoteles 384-322 f K)
Antiken och fram till modern tid så var det frågan
både hur liv kan uppstå och delvis livets ursprung
25
Många försök att
förkasta spontan
generation
Redi 1668 visade att flugor uppstod ur
flugägg och inte ’spontant’. Alltså…
Experimentlustan fortsätter under 1700
till långt in på 1900 talet med olika
försök att förkasta spontan generation
(olika typer av steril miljö)
26
Fig. 22.2
27
Kokad buljong testet
1767
Syret????!!! Krävs
syre för spontan
generation?
28
Syre kan ta sig in men
inte mikroorgaismer
Pasteur 1861: Spontan
generation är motbevisad
29
Idag fortfarande
samma fråga..
Är livets ursprung på jorden sprungna ur
ickelevande materia eller från annat liv??
– Idag diskuteras om livet har kommit till jorden
från någon annan planet el dyl.
Panspermia
– Idag har vi mer kunskap om de olika
byggstenarna i celler/organismer
Vi kan alltså utifrån dessa teorier formulera
hypoteser kring livets uppkomst (’spontan
generation’ ialla fall vid starten) mer korrekt.
30
Vi vet mer om kemi,
DNA, celler och jordens
ursprung idag
Jordens temperatur
Vatten
DNA teknik: uppfattning om när arter kan ha
bildats
Organiska molekyler kan skapas i syrefri miljö
Jorden var från början varmare och var mer
vulkanisk, hade mer ultraviolett strålning
Våra äldsta organismer lever i extrema miljöer
samma miljöer som det var på jorden i tidigt
31
skede
Primitiv jord-förutsättningar för bildande av
organiska molekyler (syrefritt-reducerande miljö)
Oparin och Haldane 1920
32
Miller 1953 visade att
organiska molekyler
kunde bildas t ex
aminosyror
Fig. 22.7
33
Stromatoliter i Australien (cyanobakterier): ur
fossiler på liknade strukturer finner man världens
äldsta celler. SEM 1950-60 talet
Fig. 22.8
(SEM: SvepElektronMikroskop)
34
Organiska molekyler
men långt kvar till liv
och celler
Koncentrering av molekylerna, hypoteser:
– Isolering och uttorkning av ’pölar’
– Koncentrering genom att vatten fryser
Hur skapades celler, cellväggar-membran?
Hypoteser
– Prebionts – ickelevande ’cell’struktur användes
av första levande cellerna – t ex tunna
vattenfilmer (coacervate) eller småbubblor med
vatten i, protoceller, utifrån proteinlika strukturer
35
Vattenfilm över organiska
molekyler: coacervates
Fig. 22.9
36
Från molekyl till
cell och selektion
hypotes idag:
Spontant bilda aminosyror – 1953
Långa Fosfo-lipider – typ av fetter- kan
spontant bilda lager som grund för
cellmembran
Aminosyror som slumpmässigt kopplas
samman kan har gett
självreproducerande RNA enzym
Dags för selektion och evolution
Givet att primitiva
celler bildades – hur
överlevde de?
Föda/energi?
Två alternativ
– Heterotrofer
Tar energi ur andra organiska molekyler som
socker, aminosyror o dyl
– Autotrofer
Utnyttjar annan energikälla, solen, eller från
oorganiska reaktioner
38
Heterotrof eller
autotrof? Hur började
det?
Länge har åsikten varit att Heterotrof start är
mest sannolik
– men födan (organiska molekyler) måste ta slut
alltså måste en evolutionsteori läggas till
Nu lutar det åt Autotrof
– Hittat extremofiler i t ex heta källor o dylikt
Energi ur CO2, CO, H2, H2S, N2 och S: bildade
troligen svavelsyra, metan och vatten
Och kvar finns den tredje hypotesen: från
annan ‘planet’.
39
Vad blev det för liv?
Tre olika domäner av liv
Prokaryoter – (bakterier) saknar
cellkärna
– Är två olika domäner Eubacteria och
Archea (nya gentekniker visar skillnader)
Archaea
troligen äldst och många är
extremofiler
Eukaryoter har cellkärnor
– Fyra riken: Protista, Fungi, Plantae,
Animalia.
40
Bildandet av eukaryot
cell
Stöd för hypotesen att eukaryot
bildades ur sammanslagning av
prokaryoter.
– Endosymbiotisk teori:
Prokaryotcell
som inneslöt fotosyntetisk
bakterie och aerobisk bakterie
41
Fig. 22.10
42
43
Geologisk tid
Evolutionär tidsaxel
billion year=miljard år
44
Mångfald inom en art
Population och art. Vad är skillnaden?
Vad är en art?
Genetisk variation
Genetiskt olika populationer
Tillämpningar av genetisk variation
Etiska problem
45
En art…
En art definieras som
Population och art. Vad är skillnaden?
46
Genotyp
Varje enskild individ har en
genuppsättning
Varje genuppsättning är en specifik
genotyp, specifik kombination av gener
Obs flera individer kan ha samma
genuppsättning, dvs vara av samma
genotyp ( t ex enäggs tvillingar)
47
Genpool
En grupp av genotyper har tillsammans
en genpool.
Man brukar använda hela arten som
grupp när man använder begreppet
genpool.
En mindre population har oftast färre
gener än en stor population
48
Fig. 11.2
49
Olika populationer
Kan ha både:
– Olika frekvens av de olika generna
Många båögongener eller få blåögongener)
– Olika genetisk diversitet
Genetisk diversitet – mängden olika gener
– Kan också vara mer specifikt
För en specifik karaktär är det hög eller låg genetisk
diversitet (låg om alla har samma allel – gen)
Allel – när man studerar/jämför förekomsten
av gener för en specifik karaktär
50
Fig. 11.3
51
Genetiskt olika
populationer-
genförekomst och genfrekvens
olika selektionstryck –miljöer- för olika
populationerna
Founder effect- etableringseffektpopulationen bildas utifrån en liten grupp
individer (t ex koloniserat en ö)
Genetisk flaskhals-population har reducerats
till få individer (kan därefter blivit många igen)
Spridningshinder – inget eller litet genetiskt
utbyte mellan populationer
52
Men hur kan det bli
genetisk diversitet?
Borde inte selektionen, det naturliga
urvalet, medföra att det bara blir en
genotyp kvar till slut???
– Spridning mellan genetiskt olika
populationer är liten
– Sexuell reproduktion (blandar om)
– mutationer
53
-
Sickle cell anemi
gener som medför deformerade
röda blodkroppar, dålig
syresättning
54
Polymorfism – hurdå?
Selektion mot homozygoter dvs
heterozygoten har högst fitness
Sickle cell anemi - heterozygoten är
resistent mot malaria…
Lite överkurs jmf med boken
55
Fitness och naturligt urval
Urvalet medför att en fenotyp lämnar relativt sett
fler avkomma i nästa generation än andra
fenotyper
Fitness för en genotyp beror av hur mycket
avkomma och hur väl de överlever
Mäts alltid relativt de andra i populationen och i
den specifika miljön
Ju högre fitness en fenotyp har desto högre
selektion för den/de genotyperna som finns
representerade av fenotypen
Fenotyp beskriver de karaktärerna som selektionen
56
verkar på, t ex halslängd hos giraffer
Fenotyp - genotyp
hur väl kopplade hos
människan?
Översättning till människan är svår – de
genetiska kontrollen av vårat beteende står mot
miljöns och kulturens kontroll av vårat beteende t
ex under uppväxten
Vad vi tror påverkar våra attityder kring rasism,
jämställdhet, lika värde, homosexualitet osv
Kunskaper är bristfälliga
57
Tvillingstudier, svåra
att analysera.
En vetenskaplig debatt pågår.
Hypotes: Om skillnaden mellan tvillingar är större för
tvåäggstvillingar av samma kön jmf med enäggstvillingar så
skall denna skillnad i skillnad bero på gener, ty per definition så
tvåäggstvillingar är mer genetiskt olika än enäggstvillingar.
– Är alltså ett sätt att mäta ev effekt av gener t ex på lön,
intelligens, sjukdomar etc
Ett dolt antagande är att man antar att man (socialt) hanterar
tvillingpar på samma sätt oavsett om de är tvåäggs eller
enäggs…..
Ett annat problem är att man inte vet vilken morfologisk el dyl
effekt man mäter, t ex gen för synfel/glasögon som medför
uppfattas intelligent som..osv
– Detta sista resonemang återför till kapitel 1 och korrelation jmf
med sökandet efter samband/orsak verkan
58
Evolution och naturligt
urval
Koncept och hur kunskapen/teorin utvecklats
Naturligt urval som motor i evolutionen
Typiska missförstånd
Vad påverkar naturligt urval
Vilka är bakomliggande processerna
Olika former av selektion
Genetisk drift kontra naturligt urval
ID vs evolution (något kort om detta)
59
Koncept och hur
kunskapen/teorin
utvecklats
Evolution allmänt –
– förändring/utveckling (över tid)
Biologi Evolution –
– förändring/utveckling av genetiskt bestämda
egenskaper hos population
Microevolution – inom population
Macroevolution – under så lång tid och
länge att nya arter bildas
60
Innan kunskap om genetik, populations
genetik, DNA, meiosis.
– Hur betrakta världen? Arterna alltid
funnits i nuvarande form. Skapelse
Idag har vi kunskaperna men under en
livstid är det svårt att se spåren av
evolution. Kort tidsintervall (dock
exempel för kortlivade organismer, t ex
bananflugor på lab)
61
Naturligt urval
Darwin och Wallace 1858
Antaganden
– Alla organismer har överflöd av avkomma
– Två organismer/arter kan ej vara lika
– Individer kämpar för sin överlevnad
– De individer som har ‘bäst’ egenskaper
får fler avkomma som överlever
– Bra egenskaper blir mer och mer vanliga i
populationen, ‘dåliga’ blir mindre
förekommande
62
Naturligt urval i
kombination med
genetik
Idag kombinerar vi evolution och
naturligt urval med genetik och DNA
och kan beskriva hur de ‘bra’
egenskaperna kan överföras från
föräldrar till avkomma.
Allel frekvenser
63
Naturligt urval som
motor i evolutionen
Genotyp vs fenotyp
Tre faktorer bestämmer, i en mix,
evolution/förändring
– Omvärldsfaktorer (yttre förutsättningar)
– Sexuell reproduktion (på vilket sätt,
internt urval)
– Genetisk diversitet (utgångsmaterial)
64
Typiska missförstånd
Survival of the fittest – Nej, det är avkomma
som räknas
Struggel for life – inget slagsmål, gradvis
skillnad
Genotyp vs fenotyp – måste vara genetisk
bestämda egenskaper, ej inlärda (finns en
gråzon – vilka gener som uttrycks)
Sker på individ nivå men resultat ses på
populations nivå
65
Genetisk drift kontra
naturligt urval
Vad händer med gener där ingen
selektion sker?
Vad händer i mycket små populationer?
– Slumpen kan slå ut eller gynna gener
Mer
än själva selektionen
66
ID vs evolution (något
kort om detta)
Pseudovetenskap ? Vetenskap?
Intelligent design
– Vad
– När
– Hur
– Varför
Vad är problemet?
67
Seminarier
grupper och diskussioner
Seminarie:
Fördela ut tre papperslappar var för att säkerställa att alla gör inlägg i
diskussionen. Det s k papperstricket.
De olika roller som ingår i ett diskussionsseminarier, vilket kan jämföras med
ett sammanträde. Ni skall alla lära sig att hantera alla roller.
Roller:
ordförande - den som ser till att alla punkter gås igenom-betyder också att
ordförande samlar ihop den diskussions som varit kring en punkt och
sammanfattar den vid lämplig tidpunkt, ser till att alla får möjlighet att
yttra sig. Kontrollerar med sekreteraren anteckningar klara innan punkten
lämnas
sekreterare - den som för anteckningar och kontrollerar liksom ordförande
att alla punkter gås igenom
redovisare - den som presenterar material/resultatet av diskussionen om så
skall ske, kan vara samma som sekreterare
föredragande - den som samlat in fakta och redogör för bakgrund för en
specifik punkt. Kan alltså vara olika för olika punkter.
Seminarie
roller - redovisning
Byt roller –
– seminariet innehåller fakta- och
diskussionsfrågor.
– Skifta åtminstone ordförande mellan fakta
och diskussion.
Redovisa både era svar/diskussion
samt vilka som varit med, vilka roller.
Glöm inte!!!!!
OBS!!!! Ni måste in på its learning
för den här kursen nästa vecka!!!!!
Inför laborationerna!!!
